Nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp dieselethanol
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.7 MB, 70 trang )
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
---------------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ
TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ
diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol
CBHD: TS. Nguyễn Tuấn Nghĩa
Sinh viên: Trần Ngọc Anh
Mã số sinh viên: 2018606644
Hà Nội – Năm 2022
i
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
MỤC LỤC
MỤC LỤC .............................................................................................................. i
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. vi
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU ETHANOL VÀ BIODIESEL ...2
1.1.
Khái quát chung về nhiên liệu sinh học .................................................2
1.2.
Nhiên liệu ethanol và biodiesel ..............................................................2
1.2.1.
Nhiên liệu ethanol ............................................................................2
1.2.1.1. Tính chất vật lý ...........................................................................2
1.2.1.2. Tính chất hóa học ........................................................................4
1.2.1.3. Cơng nghệ sản xuất ethanol ........................................................4
1.2.2.
Nhiên liệu biodiesel..........................................................................7
1.2.2.1. Tính chất vật lý ...........................................................................8
1.2.2.2. Tính chất hóa học ......................................................................10
1.2.2.3. Ngun liệu và quy trình sản xuất biodiesel .............................11
1.3.
Tình hình sản xuất ethanol và biodiesel ...............................................12
1.3.1.
Trên thế giới ...................................................................................12
1.3.2.
Tại Việt Nam ..................................................................................13
1.4.
Hướng tiếp cận của đồ án.....................................................................14
1.5.
Kết luận chương 1 ................................................................................15
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN TÍNH NĂNG KỸ THUẬT VÀ
PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESELETHANOL-BIODIESEL .....................................................................................16
2.1.
Tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel ........................16
2.1.1.
Tính chất hỗn hợp diesel-ethanol ...................................................16
2.1.1.1. Độ nhớt......................................................................................17
2.1.1.2. Trị số xêtan................................................................................17
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
ii
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
2.1.1.3. Nhiệt trị .....................................................................................18
2.1.1.4. Hàm lượng ô xy ........................................................................18
2.1.1.5. Nhiệt độ chớp cháy ...................................................................19
2.1.1.6. Nhiệt ẩn hóa hơi ........................................................................19
2.1.1.7. Sức căng bề mặt ........................................................................20
2.1.2.
Tính chất của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel ...........20
2.1.2.1. Trị số xêtan................................................................................20
2.1.2.2. Độ nhớt......................................................................................21
2.1.2.3. Hàm lượng ôxy trong nhiên liệu ...............................................22
2.2. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp diesel-ethanolbiodiesel............................................................................................................22
2.2.1.
Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng diesel khống ...23
2.2.2. Q trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp dieselethanol 25
2.2.3. Quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp dieselethanol-biodiesel ..........................................................................................27
2.3.
Nghiên cứu cấu trúc tia phun khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp ............29
2.3.1.
Cầu trúc của tia phun trong động cơ ..............................................29
2.3.2.
Cầu trúc tia phun với hỗn hợp nhiên liệu.......................................31
2.4.
Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL Boost .......................32
2.4.1.
Phương trình nhiệt động học ..........................................................32
2.4.2.
Lý thuyết tính tốn q trình cháy .................................................33
2.4.3.
Lý thuyết tính tốn truyền nhiệt .....................................................38
2.4.4.
Lý thuyết tính tốn lượng phát thải trong động cơ diesel ..............39
2.4.4.1. Mơ hình tinh tốn hàm lượng phát thải CO ..............................39
2.4.4.2. Mơ hình tính tốn hàm lượng phát thải NOx ............................40
2.4.4.3. Mơ hình tính tốn hàm lượng Soot ...........................................41
2.4.5.
2.5.
Mơ hình nhiên liệu .........................................................................42
Cơ sở phương pháp lấy mẫu và đếm hạt trong khí thải động cơ .........43
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
iii
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
2.5.1.
Thành phần và phân bố hạt theo kích thước ..................................43
2.5.2.
Sơ đồ hệ thống lấy mẫu trong phép đo số lượng hạt .....................45
2.6.
Kết luận chương 2 ................................................................................46
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG TÍNH NĂNG KĨ THUẬT VÀ PHÁT
THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU DIESELETHANOL ...........................................................................................................48
3.1.
Xây dựng mơ hình động cơ diesel và đánh giá độ tin cậy của mơ hình. .
..............................................................................................................48
3.1.1.
Mục đích và đối tượng mơ phỏng. .................................................48
3.1.1.1. Mục đích mô phỏng. .................................................................48
3.1.1.2. Đối tượng mô phỏng .................................................................48
3.1.2.
Xây dựng mô hình mơ phỏng động cơ...........................................51
3.1.2.1. Xây dựng mơ hình.....................................................................51
3.1.2.2. Các thơng số nhập cho mơ hình ................................................52
3.1.2.3. Chế độ mơ phỏng ......................................................................53
3.2. Tính tốn mơ phỏng tính năng kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử
dụng hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol ...........................................................54
3.2.1.
Kết quả tính tốn mơ phỏng tính năng kỹ thuật động cơ ...............54
3.2.2.
Kết quả tính tốn phát thải .............................................................56
3.3.
Kết luận chương 3 ................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................61
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
iv
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn ................................................................6
Hình 1. 2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenlulozo [2]................................................7
Hình 1. 3. Sơ đồ sản xuất biodiesel ......................................................................11
Hình 1. 4. Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ năm 2007 đến 2015 .........13
Hình 2. 1. Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến độ nhớt nhiên liệu [10] ........17
Hình 2. 2. Trị số xêtan của nhiên liệu diesel-ethanol [10] ...................................18
Hình 2. 3. Nhiệt trị của nhiên liệu diesel-ethanol.[17].........................................18
Hình 2. 4. Hàm lượng ơ xy của hỗn hợp diesel-ethanol [16]...............................19
Hình 2. 5. Hàm lượng ô xy của hỗn hợp diesel-ethanol [16]...............................19
Hình 2. 6. Nhiệt ẩn hóa hơi của hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol [16] .............20
Hình 2. 7.. Đồ thị khai triển quá trình cháy ở động cơ diesel [7,8] .....................24
Hình 2. 8. So sánh áp suất trong xylanh khi sử dụng diesel và diesel-ethanol. ...26
Hình 2. 9. So sánh tốc độ tỏa nhiệt khi sử dụng diesel và diesel-ethanol. ...........26
Hình 2. 10. Tốc độ cháy của nhiên liệu diese-thanol. ..........................................27
Hình 2. 11. Diễn biến áp suất trong xylanh và tốc độ tỏa nhiệt (pin = 1200MPa, n
= 1200 v/ph) .........................................................................................................29
Hình 2. 12. Sự phân rã của một tia phun diesel hình nón. ...................................30
Hình 2. 13. So sảnh các tia phun với các tỷ lệ pha trộn ethanol và nhiệt độ nhiên
liệu khác nhau.......................................................................................................31
Hình 2. 14. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn diesel-ethanol-biodiesel đến đặc tỉnh
phun ......................................................................................................................32
Hình 2. 15. Cân bằng năng lượng trong xylanh động cơ .....................................33
Hình 2. 16. Thành phần phát thải hạt được tạo ra trong quá trình cháy ..............44
Hình 2. 17. Phản bố số tượng, khối lượng, diện tich bề mặt theo đường kinh hạt
..............................................................................................................................45
Hình 2. 18. Sơ đồ nguyên lý hệ thống lấy mẫu xác định số hượng hạt trong khi
thải ........................................................................................................................46
Hình 3. 1. Động cơ AVL5402 ..............................................................................49
Hình 3. 2. Đường đặc tính ngồi mơ phỏng động cơ AVL5402 .........................50
Hình 3. 3. Mơ hình động cơ AVL5402 ................................................................52
Hình 3. 4. Biểu đồ mơmen theo đặc tính ngồi....................................................55
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
v
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
Hình 3. 5. Suất tiêu hao nhiên liệu theo đặc tính ngồi .......................................56
Hình 3. 6. Hàm lượng NOx theo đường đặc tính ngồi .......................................57
Hình 3. 7. Hàm lượng CO theo đường đặc tính ngồi .........................................58
Hình 3. 8. Hàm lượng Scoot theo đường đặc tính ngồi và sự thay đổi trung bình
NOx, CO, Soot theo đường đặc tính ngồi ..........................................................59
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
vi
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1.Tính chất vật lý của ethanol [1] .............................................................3
Bảng 1.2. Tính chất vật lý của nhiên liệu biodiesel [3] .......................................10
Bảng 2.1. Một số tính chất nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol [16] .....................17
Bảng 2. 2. Một số tính chất của hỗn hợp diesel-ethanol-biodiesel [19] ..............20
Bảng 2. 3. Chuỗi phản ứng hình thành NOx ........................................................40
Bảng 3. 1. Thơng số cơ bản của động cơ AVL5402 ............................................48
Bảng 3. 2. Thông số mô phỏng đặc tính ngồi động cơ nghiên cứu ...................50
Bảng 3. 3. Tính chất của nhiên liệu mơ phỏng [1] ...............................................51
Bảng 3. 4. Các phần tử xây dựng mơ hình động cơ AVL5402............................52
Bảng 3. 5. So sánh mômen của động cơ khi sử dụng diesel, DE5, DE10 ...........54
Bảng 3. 6. So sánh suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng diesel, DE5,
DE10 .....................................................................................................................55
Bảng 3. 7. Phát thải NOx theo đường đặc tính ngồi ..........................................56
Bảng 3. 8. Phát thải CO theo đặc tính ngồi ........................................................57
Bảng 3. 9. Phát thải Soot theo đặc tính ngồi ......................................................58
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
1
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
LỜI MỞ ĐẦU
Ô tơ hiện nay có một vai trị quan trọng trong nhiều lĩnh vực của nền kinh
tế quốc dân, nó được dùng để vận chyển hành khách, hang hóa và nhiều cơng
việc khác,…Trước thực trạng ơ nhiễm mơi trường từ khí thải động cơ đốt
trong, sự suy giảm nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự thiếu hụt về nguồn năng
lượng nên việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện
với môi trường là điều quan trọng và cần thiết. Các nguồn năng lượng tái tạo
có thể kể đến như thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trời, gió,
thủy triều, năng lượng sinh học.. trong đó sử dụng năng lượng có nguồn gốc
sinh học đang là xu hướng chung của nhiều nước trên thế giới. Năng lượng
sinh học nói chung và nhiên liệu sinh học cho phương tiện giao thơng nói riêng
đã và đang được nghiên cứu phát triển và ứng dụng.
Trong bối cảnh nền kinh tế thế giới đang bước vào toàn cầu hóa, mỗi một
biến động trên thế giới đều ảnh hưởng tới các quốc gia, trong đó có Việt Nam.
Sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, khoa học công nghệ toàn cầu này kéo
theo nhu cầu sử dụng dầu mỏ rất mạnh mẽ, thế giới đã và đang bị lệ thuộc quá
nhiều vào dầu mỏ… trong khi đó nguồn năng lượng chính là dầu mỏ đang cạn
kiệt, theo dự báo của các nhà khoa học, đến khoảng năm 2050-2060, nếu
khơng tìm được những nguồn năng lượng mới thay thế, thế giới có thể lâm
vào khủng hoảng năng lượng vơ cùng nghiêm trọng... Do vậy, đề tài : “ Nghiên
cứu tính năng ký thuật và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp
diesel-ethanol ” được thực hiện nhằm bổ sung thêm nguồn tài liệu tham khảo.
Thông qua thực nghiệm, có thể tìm ra được bộ thơng số tối, làm tài liệu tra
cứu cho các đề tài nghiên cứu cùng lĩnh vự sau này.
Cuối cùng em xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn
T.s Nguyễn Tuấn Nghĩa đã chỉ bảo em tận tình, giúp em vượt qua những khó
khăn vướng mắc trong khi hồn thành đồ án của mình.
Hà Nội, ngày 30 tháng 4 năm 2022
Sinh viên thực hiện
Trần Ngọc Anh
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
2
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU ETHANOL VÀ
BIODIESEL
1.1. Khái quát chung về nhiên liệu sinh học
NLSH được định nghĩa là nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất
có nguồn gốc từ động vật, thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế suất từ chất
béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa..), ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu
tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm ra, phân...), sản phẩm thái trong
công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thai..). Sử dụng (NLSH) có nhiều tụ
điểm như : cơng nghệ sản xuất khơng quá phức tạp, có khả năng tái tạo,
tăng hiệu quả kinh tế nơng nghiệp, có thể sử dụng trên động cơ thơng thường
mà ít phải thay đổi kết cầu NLSH dùng cho động cơ đốt trong gồm hai dạng
chủ yếu là nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng. Nhiên liệu dạng khí gồm biogas
hay khí sinh học là hỗn hợp của khi methane CH, (50 = 60%) và CO, (>
30%) và một số khí khác như hơi nước, Ng, O,, H, S, CO, sinh ra từ sự phân
hủy các hợp chất hữu cơ trong mơi trường ém khí, xúc tác ở nhiệt độ từ
20°C - 40°C. Nhiên liệu dạng lỏng gồm xăng sinh học và diesel sinh học.
Hiện nay trên thế giới xăng sinh học thông dụng nhất là ethanol. Do ethanol
có khả năng sản xuất ở quy mơ cơng nghiệp từ nguyên liệu chúa tỉnh bột
như ngũ cốc, ngô, khoai, sắn và nguyên liệu chứa đường như mía, củ cải
đường. Diesel sinh học được sản xuất tử dầu thực vật hay mỡ động vật bằng
phản ứng chuyển hóa este, và có tính chất tương đương với nhiên liệu khấu
diesel.
1.2. Nhiên liệu ethanol và biodiesel
1.2.1. Nhiên liệu ethanol
1.2.1.1. Tính chất vật lý
Ethanol (công thức phân tử C, H, OH hay CH, CH, OH) là một hợp
chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của ancol methylic, không màu, mùi
thơm dễ chịu, vị cay, dễ chảy. Ethanol là một dung môi linh hoạt, có thể
hịa tan trong nước. Các liên kết hydro làm cho ethanol tỉnh khiết có tính
hút ẩm, hút hơi nước trong khơng khí. Vì các phân tử ethanol có cấu trúc
khơng phân cực nên sẽ hịa tan các chất không phân cực, bao gồm các loại
tinh dầu, nhiều hương liệu, màu sắc và thành phần trong dược. Đặc điểm
tính chất của ethanol so với xăng được thể hiện như sau :
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
3
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
Trị số octan của ethanol cao. Vì vậy, việc pha ethanol vào xăng thơng
dụng cũng sẽ có tác dụng nhất định trong việc hạn chế hiện tượng kích nổ.
Thực tế cho thấy, xăng pha ethanol có trị số ốc tan cao hơn so với xăng gốc
ban đầu. Nhiệt lượng của ethanol chỉ bằng khoảng 0,6 lần so với nhiệt lượng
của xăng thông dụng nên về nguyên tắc, để có thể sản sinh ra một lượng
nhiệt năng như nhau thì phải cần một lượng ethanol gấp khoảng 1,67 lần so
với xăng. Vì vậy, để duy trì cơng suất cho động cơ khi chuyển từ xăng sang
ethanol nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần ethanol cao thì
cần phải có các biện pháp để tăng lượng nhiên liệu cung cấp tương ứng với
hàm lượng ethanol có trong đó. Áp suất bay hơi của ethanol cao hơn nhiều
so với xăng. Tính chất này sẽ gây ra khó khăn cho động cơ sử dụng ethanol
nguyên chất hoặc nhiên liệu hỗn hợp có thành phần ethanol cao trong việc
khởi động xe ở nhiệt độ thấp và trong việc hịa trộn giữa nhiên liệu với
khơng khí Cũng do khả năng bay hơi kém nên ở loại động cơ nhiều xy lanh
sử dụng chế hịa khí hoặc phun nhiên liệu tập trung, một lượng lớn ethanol
dạng lỏng đã tạo thành lớp mảng mỏng bám trên đường ống nạp và dẫn tới
sự phân bổ nhiên liệu không đồng đều giữa các xy lanh. Một số tính chất lý
hóa của ethanol được thể hiện trên Bảng 1.1.
TT
Đặc tính
Đơn vị
Giá trị
1 Nhiệt trị thể tích
MJ/lít
21,1 ÷ 21,7
0
2 Nhiệt độ sơi
C
78
3 Chỉ số Octan nghiên cứu
RON
106 ÷ 130
0
4 Tỷ trọng ở 20 C
0,789
5 Hàm lượng Oxy
%
34,7
0
6 Độ tan trong nước ở 25 C
%
100
0
7 Nhiệt độ tự cháy
C
392
0
8 Độ nhớt ở 20 C
cP
1,2
9 Phân tử gam
g/mol
46,07
10 Nhiệt độ tan
K
158,8
11 Điểm tới hạn ở p= 63 bar
K
514
12 pH
7,0
13 Cp
J/mol.K 65,21
14 Mật độ giới hạn nổ
%
3,5 ÷ 15
Bảng 1. 1.Tính chất vật lý của ethanol [1]
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
4
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
1.2.1.2. Tính chất hóa học
Trong phân tử C2H5OH có nhóm chức hydroxyl (OH) hình thành tính
chất hóa học đặc trưng của ethanol ;
Phản ứng với kim loại kiềm : ethanol tác dụng với Na và NaNH2
Phản ứng với axit halogen.
Phản ứng tách nước (dehydrat hóa) tạo ankan và ete.
Phản ứng dehydro hóa (tách hydro).
Phản ứng với oxi hóa, ethanol dễ cháy, khi chảy khơng có khỏi và
ngọn lửa có màu xanh da trời, tỏa nhiều nhiệt
- Phản ứng este hóa.
- Phản ứng thế -01 bởi halogen trong photpho clorua PCI, PCI, và
tionin clorua SOCI, khi có pyridine CIIN.
-
1.2.1.3. Cơng nghệ sản xuất ethanol
Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu mà ethanol được sản xuất theo các
phương pháp và quy trình khác nhau. Hiện nay có hai phương pháp được
dùng phổ biến để sản xuất ethanol như sau:
a) Phương pháp hydrat hóa ethylen
Ethanol dùng trong công nghiệp thường được sản xuất từ các nguyên
liệu dầu mỏ thơng qua phương pháp hydrat hóa ethylen với xúc tác axit.
- Với xúc tác là axit photphoric : Cho ethylen hợp nước ở 300°C áp suất
70 = 80 atm thì phản ứng hóa học như sau.
CH2 = CH2 + H2O → CH3 – CH2-OH
- Với xúc tác là axit sunfuric. Phản ứng xảy ra theo hai giai đoạn : đầu
tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành ethanol và tái tạo lại
axit :
C H2 = C H2 + H2SO4 → CH3 – CH2-OSO3H
CH3 - C H2-OSO3H + H₂O → CH3 - CH2 - OH + H2SO4
Ethanol cơng nghiệp khơng phù hợp với mục đích làm đồ uống do có
chứa một số thành phần độc hại như : methanol, denatonium (CH29N2O,
C7H5O2) là một chất có vị đắng, gây tê.
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
5
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
b) Phương pháp lên men
Nguồn nguyên liệu để sản xuất ethanol bằng công nghệ lên men chủ
yếu sử dụng các loại cây trồng chứa đường đơn giản (xenlulozo) hoặc ngũ
cốc chứa tinh bột. Ethanol sinh ra trong q trình lên men sẽ hịa tan trong
nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tình cất để tạo ethanol ngun
chất (có thể đạt mức ethanol tuyệt đối – ethanol khan).
Trong số các nguyên liệu thế hệ thứ nhất chứa tỉnh bột và đường, sắn
là sản phẩm có tỷ suất thu hồi ethanol cao nhất. Vì vậy, sắn được sử dụng
để sản xuất ethanol trong nước và xuất khẩu. Quá trình sản xuất ethanol từ
sắn qua các giai đoạn sau
- Giai đoạn xử lý nguyên liệu sắn đem thái lát, phơi khô và nghiền.
- Giai đoạn hồ hóa - đường hóa ;
+ Mặc dù tồn tại song song 02 cơng nghệ hồ hóa - đường hóa bằng axit
và bằng chế phẩm enzyme amylazan. Tuy nhiên, hầu hết các nhà cung cấp
công nghệ sản xuất ethanol hiện nay đều lựa chọn cơng nghệ hồ hóa - đường
hóa bằng chế phẩm enzyme amylaza.
+ Tinh bột có màng tế bào bảo vệ nên enzyme amylaza không thể tác
động trực tiếp được. Khi nghiền nguyên liệu, chỉ một phần rất ít tế bào tinh
bột bị phá vỡ. Mặt khác ở nhiệt độ mơi trường tinh bột khơng hịa tan trong
nước, khi đường hóa, enzyme amylaza tác dụng rất chậm.
+ Q trình hồ hóa tiếp tục phá vỡ tế bào tinh bột, biến tinh bột ở trạng
thái khơng hịa tan trong nước thành trạng thái hoà tan, giúp cho q trình
đường hóa thuận lợi hơn.
+ Q trình đường hóa sử dụng enzyme amylaza chuyển hóa tinh bột
hịa tan thành đường có thể lên men được. Trên cơ sở phát triển của công
nghệ enzyme chủ yếu do các nhà sản xuất enzyme hàng đầu thế giới như
NOVO ENZYME (Đan Mạch), GENENCOR (Mỹ)...
- Lên men.
- Chưng cất để tạo ethanol nguyên chất.
- Tách nước để tạo ethanol khan với nồng độ trên 99,5%
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
6
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
Hình 1. 1. Sơ đồ sản xuất ethanol từ sắn
Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai bao gồm phụ phẩm nông nghiệp như
rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, vỏ lạc, vỏ cà phê, thân ngô... chất thải rừng gồm
những nguyên liệu chứa gỗ như vỏ cây, thân cây... Theo khảo sát và đánh
giá của Viện Nghiên cứu chiến lược, chính sách Cơng nghiệp - Bộ Công
Thương cho thấy, trữ lượng cồn nhiên liệu tiềm năng đi từ nguyên liệu thế
hệ thứ hai của Việt Nam rất lớn, ước tính khoảng 10,9 tỷ lít. Trong đó chiếm
tỷ trọng lớn nhất là nguyên liệu từ phụ phế phẩm nơng nghiệp. Tuy nhiên,
do chỉ phí cơng nghệ chế biến còn cao, đặc biệt là khâu xử lý nguyên liệu
ban đầu khá phức tạp, nguyên liệu khổ thu gom, phân loại ở quy mơ lớn nên
khó ứng dụng để sản xuất cồn trong điều kiện hiện nay của Việt Nam
Quá trình sản xuất ethanol từ xenlulozo chỉ khác với quá trình lên men
tinh bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình
lên men. Thủy phân hỗn hợp xenlulozo khó hơn thủy phân tỉnh bột vì hỗn
hợp xenlulozo là tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch
dài (polyme cacbonhydrat) gồm khoảng 40-60% xenlulozo và 20-40%
hemixenlulozo, cấu trúc tinh thể bền. Hemixenlulozo chứa hỗn hợp các
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
7
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto hoặc arabino kém bền hơn
xenlulo. Nói chung hỗn hợp xeluloza khó hịa tan trong nước. Phức polyme
thơm có trong gỗ lignin (10 = 25%) khơng thể lên men vì khó phân hủy sinh
học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác. Để sản xuất ethanol từ xenlulozo
cần qua 6 giai đoạn Hình 1.2 :
- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenlulozo như gỗ hoặc
rơm rạ để thủy phân.
- Thủy phân xenlulozo (cellulolysis) để bẻ gãy các phân tử để tạo
đường.
- Tách đường từ các ngun liệu cịn sót lại, đáng chú ý là lignin
(chất polyme thơm).
- Lên men.
- Chưng cất để tạo ra ethanol nguyên chất. - Khử nước để tạo ra
ethanol khan với nồng độ lên đến 99,7%.
Hình 1. 2. Sơ đồ sản xuất ethanol từ xenlulozo [2]
1.2.2. Nhiên liệu biodiesel
Diesel sinh học (Biodiesel) là loại nhiên liệu có những tính chất tương
đương với diesel khoáng nhưng được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động
vật. Về phương diện hoá học, biodiesel là methyl este (hay ethyl ester) của
những axit béo trong dầu hay mỡ khi được ester hoá bởi các methanol hoặc
ethanol [3].
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
8
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
1.2.2.1. Tính chất vật lý
Nhiệt độ đơng đặc: do thành phần hóa học của các dầu khác nhau nên
nhiệt độ đông đặc khác nhau. Các giá trị này không ổn định và thường trong
một khoảng nào đó.
Hàm lượng este: Là chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng của nhiên
liệu diesel sinh học gốc B100. Hàm lượng este cao thể hiện sự chuyển hóa
của phản ứng este hóa chéo tốt, đảm bảo chất lượng của biodiesel.
Trị số xetan: Dùng để đo khả năng tự cháy của nhiên liệu thu được
bằng cách so sánh nó với nhiên liệu chuẩn trong thử nghiệm trên động cơ
đã được tiêu chuẩn hóa.
Độ nhớt động học : Là tỷ số giữa độ nhớt động lực và khối lượng riêng
của nhiên liệu. Độ nhớt động học là một thông số quan trọng của nhiên liệu
đối với hệ thống cung cấp nhiên liệu trên động cơ diesel
Khối lượng riêng : Khối lượng riêng của biodiesel thường nhỏ hơn
của nước, ở điều kiện thường (20°C), p = 0,907-0,971 (g/cm '). Biodiesel
có càng nhiều thành phần hydrocacbon no thì tỷ trọng càng cao. Đặc điểm
tính chất của biodiesel so với nhiê n liệu diesel được thể hiện như sau :
Trị số xetan cao : Biodiesel có các alkyl este mạch thăng do vậy nhiên
liệu này có trị số xetan cao hơn diesel khống. Với trị số xetan cao như vậy,
biodiesel hồn tồn có thể đáp ứng dễ dàng yêu cầu của những động cơ đòi
hỏi nhiên liệu chất lượng cao với khả năng tự bắt cháy cao mà không cần
phụ gia tăng trị số xetan.
Hàm lượng lưu huỳnh thấp : Trong biodiesel hàm lượng lưu huỳnh
rất thấp, khoảng 0,001%. Đặc tính nảy của biodiesel rất tốt cho quá trình sử
dụng làm nhiên liệu, vì nó làm giảm đáng kể khí thải SO gây ăn mịn thiết
bị và gây ơ nhiễm mơi trường.
Q trình cháy sạch : Do nhiên liệu biodiesel chứa khoảng 11% oxy
nên quá trình cháy nhiên liệu xảy ra triệt để. Vì vậy, với những động cơ sử
dụng nhiên liệu biodiesel thì sự tạo muội, đóng cặn trong động cơ giảm
đáng kể.
Khả năng bơi trơn cao nên giảm mài mịn : Biodiesel có khả năng
bơi trơn rất tốt, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, biodiesel có khả năng bơi
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
9
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
trơn tốt hơn diesel khống. Khả năng bơi trơn của nhiên liệu được đặc trưng
bởi giá trị HFRR (highfrequency receiprocating rig), nói chung giá trị
HFRR đạt 500 khi khơng có phụ gia, nhưng giới hạn đặc trưng của diesel
là 450. Vì vậy diesel khống u cầu phải có phụ gia để tăng cường khả
năng bơi trơn. Do HFRR cao nên biodiesel cịn được coi như là một phụ gia
tốt đối với nhiên liệu diesel thơng thường. Khi thêm vào một tỷ lệ thích hợp
biodiesel, sự mải mòn của động cơ được giảm mạnh. Thực nghiệm đã chứng
minh sau khoảng 15000 giờ làm việc vẫn khơng nhận thấy mài mịn [4].
Tính ổn định của biodiesel : biodiesel có khả năng phân huỷ rất
nhanh (phân huỷ đến 98% trong 21 ngày) đây chính là ưu điểm lớn về mặt
môi trường. Do biodiesel kém ổn định nên cần có sự chú ý đặc biệt về q
trình bảo quản [1].
Giảm lượng khí thải độc hại và nguy cơ mắc bệnh ung thư : Theo
các nghiên cứu của Bộ năng lượng Mỹ đã hoàn thành ở một trường đại học
ở California, sử dụng biodiesel tinh khiết thay cho diesel khống có thể
giảm 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thư từ khí thải của động cơ. Lý do là
biodiesel chứa ít các hợp chất thơm, chứa rất ít lưu huỳnh, quá trình cháy
triệt để hơn nên giảm được nhiều thành phần hydrocacbon trong khí thải
[4,5].
An tồn về cháy nổ tốt hơn : Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy cao,
trên 110C, cao hơn nhiều so với diesel khoáng (khoảng 60°C), vì vậy tính
chất nguy hiểm của nó thấp hơn, an toàn hơn trong tồn chứa và vận chuyển
Nguồn nhiên liệu cho tổng hợp hố học : Ngồi việc được sử dụng
làm nhiên liệu, các ankyl este axit béo còn là nguồn ngun liệu quan trọng
cho ngành cơng nghệ hố học, sản xuất các rượu béo, ứng dụng trong dược
phẩm và mỹ phẩm, các ankanolamin, isopropylic este, các polyeste được
ứng dụng như chất nhựa, chất hoạt động bề mặt...
Có khả năng nuôi trồng được : Tạo nguồn năng lượng độc lập với
dầu mỏ, không làm suy yếu các nguồn năng lượng tự nhiên, không gây ảnh
hưởng tới sức khoẻ con người và mơi trường. Một số tính chất lý hóa của
nhiên liệu biodiesel được thể hiện trên Bảng 1.2 [3].
STT
Đặc tính
1 Tỷ trọng ở 150C
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
Đơn vị
-
Biodiesel
869,3
LỚP: 2018DHKTOTO7
10
Đồ án tốt nghiệp
2
3
4
5
6
7
8
9
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
Độ nhớt động học ở 400C
Nhiệt trị
Hàm lượng oxy
Trị số Xetan
Sức căng bề mặt ở 200C
Tỷ lệ khơng khí/nhiên liệu
(A/F)
Nhiệt ẩn hóa hơi
Điểm sơi
Mm2/s
MJ/kg
%
N/m
-
4,1
40,125
10
51,3
0,028
14,58
kJ/kg
0
C
332
60
Bảng 1.2. Tính chất vật lý của nhiên liệu biodiesel [3]
1.2.2.2. Tính chất hóa học
Biodiesel là methyl este (hay ethyl ester) của những axit béo trong dầu
hay mỡ khi được ester hố bởi các ancol methanol hoặc ethanol. Do vậy,
tính chất của biodiesel thể hiện qua các phản ứng giống như một este như
sau :
Phản ứng xà phịng hóa : với các điều kiện như nhiệt độ, áp suất, xúc
tác thích hợp dầu có thể bị thủy phân :
C3H5(OCOR)3 + 3H2 O → 3RCOOH + C3H5(OH)3
Phản ứng qua các giai đoạn trung gian tạo thành các diglyxerin và
monoglyxerin. Trong quá trình thủy phân, axit béo sẽ phản ứng với kiềm
tạo thành xả phòng :
RCOOH + NaOH → RCOONa + C3H5OH
Phản ứng cộng hợp. Trong điều kiện thích hợp, các axit béo không
no sẽ. cộng hợp với các chất khác.
Phản ứng hidro hóa : Là phản ứng được tiến hành ở điều kiện nhiệt
độ, áp suất thấp và sự có mặt của xúc tác Ni.
Phản ứng este hóa : Các glyxerin trong điều kiện có mặt của xúc tác
vƠ CƠ (H2SO4, HC1 hoặc NaOH, KOH) có thể tiến hành este hóa trao đổi
với các rượu bậc một (như metylic, etylic)... thành các alkyl este của axit
và glyxerin :
C3H5(OCOR)3 + 3CH3OH3RCOOCH3 + C3H5(OH)3
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
11
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
Phản ứng oxy hóa : Tùy thuộc vào bản chất của chất oxy hóa và
điều kiện phản ứng mà tạo ra các chất oxy hóa khơng hồn tồn như peroxyt,
xetoaxit... hoặc các sản phẩm đứt mạch có phân tử lượng bé.
Phản ứng trùng hợp : Các axit không no dễ xảy ra phản ứng trùng
hợp tạo ra các hợp chất cao phân tử.
1.2.2.3. Nguyên liệu và quy trình sản xuất biodiesel
Nguyên liệu sản xuất biodiesel bao gồm : Nguồn nguyên liệu thế hệ
thứ nhất là dầu thực vật ăn được (dầu hướng dương, dầu lạc, dầu dừa, dầu
thầu dầu, dầu cọ, dầu đậu nành, dầu hạt bông...) và mỡ động vật (mỡ cá, mỡ
bò, mỡ lợn...). Tuy nhiên, các nguyên liệu này ảnh hưởng tới an ninh lương
thực nên việc sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu trên bị Tổ chức
Nông Lương thế giới phản đối. Nguồn nguyên liệu thế hệ thứ hai là các
dạng phế thải như mỡ động vật và axit béo phế thải. Nguồn nguyên liệu thế
hệ thứ ba bao gồm các loại tảo và dầu jatropha. Các nguồn nguyên liệu thế
hệ thứ hai và ba là các nguồn nguyên liệu không cạnh tranh với các nguồn
lương thực của con người nên đang được quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực
sản xuất biodiesel.[1]
Quy trình sản xuất biodiesel được mơ tả trên Hình 1.3 :
Hình 1. 3. Sơ đồ sản xuất biodiesel
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
12
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
1.3. Tình hình sản xuất ethanol và biodiesel
1.3.1. Trên thế giới
Mỹ là nước sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học lớn nhất thế giới.
Sản lượng sản xuất ra chiếm khoảng 43% trên toàn thế giới. Tại Mỹ, ethanol
sản xuất chủ yếu từ ngơ. Năm 2008 đạt đến 32 tỉ lít và chỉ tiêu đề ra cho
năm 2022 là 137 tỉ lít [10]. Ngoài ra, sản lượng diesel sinh học cũng tăng
mạnh trong những năm gần đây. Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh
học ở Mỹ là dầu đậu nành tinh khiết, dầu đậu nành đã qua sử dụng và mỡ
động vật. Lượng diesel sinh học bán ra có thể đạt gần 2 tỷ gallon mỗi năm.
Tổng lượng diesel sinh học tiêu thụ ở Mỹ năm 2016 là gần 2060 triệu gallon
[21].
Brazil sản xuất ethanol (từ mía đường) với sản lượng gần 25 tỉ lít
năm, từ năm 2005 đến năm 2012 đã có hơn 116 nhà máy sản xuất ethanol
mới được đầu tư xây dựng tại Brazil, ngành sản xuất diesel sinh học chỉ mới
có một số dây chuyền sản xuất thử nghiệm công suất từ 40 -130 (m/ngày)
được vận hành. Nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học ở Brazil là
dầu đậu nành, dầu hướng đương, dầu thầu dầu và dầu thực vật đã qua sử
dụng.
Sản lượng ethanol của Mỹ và Brazil chiếm khoảng 86,25% ethanol
sản xuất toàn cầu. Theo số liệu năm 2015, Mỹ sản xuất được 14.806 triệu
gallons ; Brazil 7.093 triệu gallons. Sau Mỹ và Brazil là Trung Quốc có sản
lượng ethanol là 813 triệu gallons. Tổng sản lượng ethanol của toàn thế giới
trong năm 2015 ước tính khoảng 25.682 triệu gallons. Thống kê sản lượng
ethanol và biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ 2007 đến năm 2015
được thể hiện trên Hình 1.4,
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
13
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
Hình 1. 4. Biểu đồ sản lượng ethanol trên thế giới từ năm 2007 đến 2015
Khổi EU sản xuất ethanol chủ yếu sử dụng ngũ cốc và củ cải đường.
Tiêu thụ NLSH cũng tăng nhanh khoảng 23% mỗi năm, do ngoài việc áp
dụng E5, E10 và B7 lên các động cơ truyền thống thì loại động cơ cải tiến
dùng E85 đang được áp dụng ngày càng rộng rãi. Ngoài ra, do sự thay đổi
về chính sách đối với NLSH nên lượng tiêu thụ biodiesel tại khu vực này
đang tăng dần (năm 2018 ước tính tăng lên 12.650 triệu lit) [13].
Thái Lan phát triển năng lượng tái tạo trong 10 năm (2012 - 2021)
nhằm tăng lượng sử dụng NLSH trên toàn quốc từ 1,1 triệu lít ngày lên 9
triệu lít ngày vào năm 2021. Nhu cầu sử dụng diesel sinh học được dự báo
sẽ duy trì tăng trưởng hàng năm từ 2,5 - 2,7% từ năm 2018 - 2022, và sau
đó dự bảo sẽ giảm xuống còn 1,5 = 2,0% sau năm 2022 [14].
Indonesia, theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường Indonesia
(2017), lượng tiêu thụ biodiesel của nước này đã tăng từ 860 triệu lít (năm
2015) lên 3.008 tỷ lít (năm 2016) và dự kiến giảm nhẹ vào năm 2017 còn
2,8 tỷ lít [15].
1.3.2. Tại Việt Nam
Từ năm 2007 Chính phủ đã ký quyết định số 177/2007/QĐ - TTg phê
duyệt “ Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến
năm 2025 " với mục tiêu chủ yếu là phát triển NLSH, tái tạo được để thay
thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh
năng lượng và bảo vệ môi trường [11]. Đề án này cũng đưa ra mục tiêu cụ
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
14
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
thể là đến năm 2015, nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% và đến năm 2025 đáp
ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước. Nhằm thực hiện các mục tiêu này,
năm 2012 Chính phủ ban hành quyết định số 53/2012/QĐ - TTg về lộ trình
áp dụng tỷ lệ phối trộn nhiên liệu sinh học với nhiên liệu truyền thống [12].
Theo quyết định này, xăng E5 và E10 được sử dụng tại 7 thành phố lớn vào
cuối 2014 và 2016, tiếp theo sẽ sử dụng rộng rãi trên toàn quốc vào cuối
2015 và 2017, trong khi đó diesel sinh học B5 và B10 được khuyến khích
sản xuất, phối chế và sử dụng. Thực tế lộ trình trên bị chậm hơn dự kiến,
đầu năm 2018 việc sử dụng xăng sinh học E5 trên toàn quốc mới được thực
hiện. Đến nay, cả nước có bảy nhà máy ethanol với tổng mức đầu tư trên
500 triệu USD, tổng công suất thiết kế 600000 m3/năm [22], tập trung chủ
yếu tại Miền Trung - Tây Nguyên và Miền Nam. Thiết bị của các nhà máy
này đều được xây dựng sau năm 2007 và được đầu tư thiết bị mới 100%,
xuất xứ Châu Á và G7, trình độ tự động hóa đạt trên 85%. Cuối năm 2017,
nhà máy ethanol Bình Phước và Dung Quất đã được khởi động trở lại. Năng
lực sản xuất ethanol của các nhà máy tại Việt Nam đã lên tới 400.000
mởnăm (gồm : 200.000 mở từ hai nhà máy của Công ty TNHH Tùng Lâm,
100.000 m ' của nhà máy ethanol Bình Phước, 100.000 mở của nhà máy
ethanol Dung Quất). Trong khi đó, cả nước tiêu thụ 593.000 m ' xăng E5
RON 92 trong hai tháng đầu năm 2018. Lượng E100 cần thiết để pha chế
số xăng này là khoảng 29.650 m. Nếu việc tiêu thụ xăng E5 RON 92 trong
cả năm 2018 tiếp tục diễn biến như hai tháng đầu năm, lượng xăng E5 RON
92 bán ra sẽ đạt mức 3.558.000 m. Lượng E100 để pha chế là khoảng
177.900 m ’ chỉ bằng 44% mức cơng suất tối đa mà 4 nhà máy có thể cung
cấp (400.000 m3/năm) [22].
1.4. Hướng tiếp cận của đồ án
Nhằm thực hiện mục tiêu tăng lượng tiêu thụ ethanol nêu ra ở phần
Mở đầu của luận án bằng cách pha ethanol với diesel như một phụ gia cải
thiện tính chất nhiên liệu và trên cơ sở nghiên cứu tổng quan NCS đưa ra
phương pháp tiếp cận như sau. Đầu tiên NCS chọn động cơ nghiên cứu là
động cơ mô phỏng AVL5402. Tiếp theo, căn cứ vào những cơng trình đã
cơng bố, NCS chọn một số mẫu có tỷ lệ pha diesel, sau đó tiến hành nghiên
cứu mơ phong bằng phần mềm AVL - Boost để xác định các thông số tính
năng và phát thai của động cơ làm cơ sở để xác định tỷ lệ pha diesel - ethanol
hợp lý. Cuối cùng, NCS tiến hành nghiên cứu thực nghiệm có đối chiếu với
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
15
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
kết quả mô phỏng nhằm đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu diesel
- ethanol tới tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ diesel đang
lưu hành và rút ra những kết luận cần thiết.
1.5. Kết luận chương 1
Phối trộn ethanol vào diesel thông thường cùng với sự có mặt của tạo
hỗn hợp nhiên liệu diesel - ethanol có khả năng làm nhiên liệu cho động cơ
diesel.
Việt Nam có thế mạnh về sản xuất ethanol. Ethanol đã được phối trộn
với xăng khoáng tạo thành xăng E5 sử dụng trên cả nước. Tuy nhiên lượng
ethanol sản xuất trong nước còn dư thừa nhiều. Do vậy, bên cạnh việc thúc
đẩy phát triển xăng sinh học, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và
hướng tới hoàn thành mục tiêu của đề án phát triển nhiên liệu sinh học của
Chính phủ.
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
16
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN TÍNH NĂNG
KỸ THUẬT VÀ PHÁT THẢI ĐỘNG CƠ KHI SỬ DỤNG HỖN
HỢP NHIÊN LIỆU DIESEL-ETHANOL-BIODIESEL
Chương 1 đã cho thấy khả năng sử dụng hỗn hợp diesel-ethanol trên
động cơ diesel, mức độ cải thiện tính năng kỹ thuật và phát thải của động
cơ phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu, kết cấu và điều kiện hoạt động cụ thể
của động cơ. Để làm rõ hơn các vấn đề đã nêu trên, chương này của luận án
trình bày về sự thay đổi tính chất của nhiên liệu hỗn hợp khi phối trộn theo
các tỉ lệ khác nhau, cơ sở lý thuyết khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp trên động
cơ diesel. Bên cạch đó, luận án cũng giới thiệu về phương pháp lấy mẫu và
đếm hạt trong khí thải động cơ diesel mà NCS sử dụng trong thử nghiệm
đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu.
2.1. Tính chất hỗn hợp nhiên liệu diesel-ethanol-biodiesel
Ethanol và biodiesel khi phối trộn vào diesel khống thay đổi tính
chất của diesel gốc, trong đó ethanol có tính chất khác biệt nhiều so với
diesel. Nhằm thấy rõ ảnh hưởng của ethanol và biodiesel trong hỗn hợp,
trước tiên luận án thực hiện phân tích sự thay đổi của nhiên liệu diesel khi
pha trộn ethanol, sau biodiesel được pha trộn thêm tạo hỗn hợp dieselethanol-biodiesel.
2.1.1. Tính chất hỗn hợp diesel-ethanol
Ethanol khác biệt nhiều so với nhiên liệu diesel khoáng về độ nhớt,
nhiệt trị, trị số xêtan, tính bay hơi... Tùy thuộc vào tỷ lệ ethanol phối trộn,
các thông số trên của hỗn hợp diesel-ethanol có sự thay đổi khác nhau so
với diesel. Tính chất của diesel, ethanol, DE5, DE10, DE15, DE20 được thể
hiện trong Bảng 2.1
Ở nhiệt độ môi trường, ethanol pha trộn dễ dàng với nhiên liệu diesel.
Tuy nhiên, khi nhiệt độ dưới 10°C hai loại nhiên liệu lại không thể hỏa tan.
Để khắc phục hiện tượng này, có thể thêm một lượng dung mỏi phù hợp vi
dụ như tetrahydrofuran (được điều chế từ các vật liệu phế thài công nghiệp)
hoặc ethyl axetate (diều chế tử ethanol). Tùy theo lượng ethanol pha vào
diesel, tinh chất nhiên liệu diesel-ethanol thay đổi như sau:
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
17
Đồ án tốt nghiệp
GVHD: T.S Nguyễn Tuấn Nghĩa
Thông số
Diesel
Tỷ trọng ở 0,8379
20°C
Trị số xêtan
48
Ethanol
0,7893
DE5
0,8349
DE10
0,8324
DE15
0,8301
DE20
0,8279
8
47,2
46,7
44,4
43,9
Nhiệt trị thấp 42,95
(MJ/kg)
26,778
42,15
41,35
40,52
39,628
Nhiệt ẩn hóa 301
hơi (KJ/kg)
Hàm lượng 0,021
oxy(% Khối
lượng)
Độ nhớt (Cp 2,95
ở 20°C
854
319
350
379
407
34,73
1,751
3,483
5,2187
6,958
1,2
1,907
1,840
1,802
-
Bảng 2.1. Một số tính chất nhiên liệu hỗn hợp diesel-ethanol [16]
2.1.1.1. Độ nhớt
Bảng 2.1 cho thấy độ nhớt của ethanol (1,2cP ở 20°C) thấp hơn nhiều
với diesel (2,95 cP ở 20°C). Khi tăng tỷ lệ cthanol độ nhớt của hỗn hợp
giảm dần (Hinh 2.1), với DE25 độ nhớt hỗn hợp giảm đáng kể khoảng
28,5% so với diesel [51]. Độ nhớt giảm có thể ánh hường tới chất lượng tia
phun và tăng khả năng rò ri nhiên liệu qua cặp piston-xylanh bơm cao áp.
Hình 2. 1. Ảnh hưởng của hàm lượng ethanol đến độ nhớt nhiên liệu [10]
2.1.1.2. Trị số xêtan
Trị số xêtan của hỗn hợp diesel-ethanol thấp hơn so với diesel do
ethanol có trị số xêtan bằng 8 trong khi diesel có trị số xêtan bằng 51,5 [16].
Trị số xêtan của diesel-ethanol giảm gần như tuyến tính theo tỷ lệ ethanol
SVTH: TRẦN NGỌC ANH
LỚP: 2018DHKTOTO7
